◆第５５回機械振興賞受賞者業績概要

超高塗着エアレス塗装技術の開発
トヨタ自動車株式会社
代表取締役社長
トヨタ自動車㈱トヨタ自動車㈱トヨタ自動車㈱トヨタ自動車㈱豊 田

車両生技開発部
車両生技開発部
車両生技開発部
車両生技開発部谷
田 中
大 竹
村 井章 男
真 二一 基伸 弥
裕 樹

された空気の排気や未塗着の塗料を回収する機

はじめに能を有す回収室から構成されており、非常に大きな構造体である（図２）。

世界的な資源保護・温室効果ガス削減の必要性を受け、トヨタは環境チャレンジ 2050 を掲げて活動している。この中に工場の CO2 排出ゼロチャレンジがあるが、その削減ロードマップは日常改善だけでなく、技術革新の創出が求められている。自動車工場での工程別で見ると、塗装工程が最大の排出源となっている。その中でも塗装ブースが 50%以上を占めているた
め、最大の排出源である塗装ブースを根本的に小型化する必要がある（図１）。ブースの小型化には未塗着塗料を大幅に削減する必要性があり、それはすなわち塗装時の歩留まりを大幅に低減（塗着効率の向上）させる「加工点の開発」が必要となる。
図２ 塗装ブース断面（現状）

このブース内に供給する温湿度管理された空気の供給量を減らすことは、エネルギー使用量を減らす非常に有効な手段であり、塗装ブースを超小型化することで CO 2 排出削減に大きく寄与することができる。しかし、従来の静電スプレー塗装での塗着効率（吹き付けた塗料の被塗物に付着する割合）

図１ 自動車製造におけるCO2排出割合は 65~70%程度が限 界で、被塗 布物に 塗着 しな開発のねらいかった塗料ダストによってブース自体や塗装用ロボットなどが汚れてしまう。その汚れは塗装品質の塗装ブースは車体などの被塗布物に塗料を吹悪化をまねき、汚れを極力回避するためにロボット

き付ける吹付室と、塗装品質を確保するため温湿をある一定間隔で配置させ、ある程度の大きさの度をコントロールした空気を火災防止などの安全ブース構造を確保する必要性がある。それでも汚確保のために常時、一様に給気する給気室、給気れてしまう塗装設備を維持管理するための清掃作－1－

超高塗着エアレス塗装技術の開発業が、ある一定生産時間毎に発生している。つまり果的に活用することで、品質と生産性を確保しながブースの小型化は容易ではない。

ら塗着効率を画期的に向上させることができ、環境また、従来塗装の塗着効率はこれ以上の向上は期待できず、回収室に回収した塗料を分離・処理負荷が大きい塗装工程を根本から変えることができる技術である（図３）。

するために大量の水を使用する大型の排水処理技術上の特徴装置は依然必要であり、処理に使用する水及び処理にかかるエネルギーは膨大である。

今回開発した塗着効率を画期的に向上させる

超高塗着エアレス塗装は、静電気力で塗料を微超高塗着エアレス塗装は上記問題点を根本的に粒化させ、被塗布物へ飛行させる静電微粒化技術解決し、塗料使用料低減と合わせて、CO2 を画期的を、自動車塗装に適用させた技術である。ここで静に低減可能な超コンパクトな自動車塗装工程を提電微粒化の原理を説明する（図４）。

供することが可能となる。

装置の概要
近年の自動車塗装はその品質と生産性を両立するため、塗装機と呼ばれる霧化装置を搭載した産業用ロボットによる静電スプレー塗装が主流である。この塗装技術はベルカップと呼ばれる回転体の遠心力で塗料の液柱を生成し、それをシェーピングエアと呼ばれる非常に大きな流用の霧化エアで粒子化させ、被塗物に塗着させる。被塗物近傍では

図４ 静電微粒化原理

シェーピングエアの跳ね返りで塗料粒子が飛散し①ノズルから吐出した塗料に電荷を供給すると、大幅な塗着効率低下を発生させる。そのため、塗料アースされた被塗物側に静電引力により塗料が粒子を被塗物へ効率的に塗着させるために、あら柱状に引き伸ばされる（液柱化）。

かじめ塗料にマイナス電荷を印加し、アース物であ②電荷をさらに供給すると静電気力が塗料の表面る被塗物へ静電気力で補助的に塗着させているが、塗着効率は 65~70%程度であり、この塗装技術張力や粘性を上回り分裂、微粒化する。
③帯電した塗料粒子は、電界に沿って被塗物に向では限界に近い状態であった。

かって飛行し、塗着する。

今回開発した超高塗着エアレス塗装は、塗着効

この静電微粒化は一般的にはとても少ない吐出率低下の要因の１つであるシェービングエアを使量域でしか発生しない現象であり、弊社で実施した

用せず、その代わりに静電気力を最大限にかつ効

自動車用塗料を用いた可視化実験では液柱径が従来塗装

超高塗着エアレス塗装

ある一定以下（Φ80μm 程度）でなければ成立せず、それより大きな径では良好な微粒化が得られないことが判明した（図５）。
一般的な静電微粒化装置である単筒状ノズルを用いた場合、吐出量に換算すると 0.3cc/min 以下程度しか成立せず、自動車塗装の量産ラインで必
跳ね返りによる塗料ダスト大跳ね返りによる塗料ダストほぼ無し

図３ 従来塗装と超高塗着エアレス塗装

要となる吐出量 200cc/min 以上に対し大幅に不足していた。それを達成するにはノズルを 600 個以上－2－◆第５５回機械振興賞受賞者業績概要

並列で並べれば容易に可能ではあるが、塗装機自面で形成されている場合、塗装機と被塗物の距離体が大きくなりロボットへの搭載が困難になること、を一定に保ち、電荷の印加を安定させることが難しまた塗料経路が増えることによる保全性の低下やい。つまり静電微粒化の発生が安定せず塗装品質塗色替え時の塗料ロスの増大などの背反があり現に影響がある。また近づきすぎると電流が増大し過実的な方法とは言えない。

ぎるため、塗装機と被塗物との間にスパークが発生

この課題を克服するために、従来の塗装機の回し、機器の破損や火災発生の危険性がある。

転体部分であるベルカップの円周上に、適切な液そこで今回、電流を高精度に一定に制御する「定柱径を生成・放出できるノズルに見立てた特殊な電流制御方式」を開発した。これは従来とは異なり、

溝構造（セレーション）を 600 個配置し、回転力を加被塗物との距離に応じて自動で電圧を制御できるえ塗料を円周上に放出することで、目的の径を持ようにしたものである（図７）。その結果、自動車塗装

つ液柱を 600 本形成、静電微粒化現象を発生さにおいても、その車体形状に依存せず供給する電せ、自動車塗装に必要な高吐出量域を確保するこ荷を一定にでき、塗装品質確保に必要な安定的なとが可能となった（図６）。

静電微粒化の発生と、近づきすぎてもスパークしない本質安全を両立させることができるようになった。

図７ 高電圧制御（定電流制御）

図５ 液柱と微粒化相関

実用上の効果前述の技術開発により、自動車塗装としては静電微粒化現象を応用した塗装技術を世界で初めて 適 用、実 現 さ せ、量 産 ラ イ ン に 導 入 し た。従 来
図６ 高吐出領域で静電微粒化現象を発生させる手法

65~70%前後だった塗着効率は 95%まで向上し、従来塗装の実績にもよるが、当社においては塗料また、塗料への電荷の印加が安定しないと、静電微粒化現象を安定的に発生させることができず、微使用量を従来比で 15％以上低減することができている（図８）。

粒化した粒子は均一な粒子径にならない。粒子の工場への導入は、2017 年 11 月より、本技術を弊

不均一さは塗装品質に大きな悪影響を与えるた社高岡工場第 2 塗装ラインの外板溶剤クリア工程め、安定的な電荷の印加もこの技術の確立のために導入し生産を開始した。画期的な塗着効率向上には重要な因子となる。従来の静電スプレー塗装

により、塗料の使用量の低減でなく、塗着しなかっでは電荷を印加させるためのコントローラーは一定た塗料ダストによるブースやロボットなどの設備のの電圧に制御する「定電圧制御方式」が一般的で汚れが画期的に低減され、定期的な清掃作業などあり、同方法は被塗物との距離などにより電流が変の必要性はほぼ無くなった。さらに同年 12 月には動し、実際に塗料に印加される電荷も変動すること

弊社堤工場第１塗装ラインの外板クリア工程とドアになる。自動車の車体形状のように非常に複雑な開口など車体の内側を塗装する内板クリア工程に－3－超高塗着エアレス塗装技術の開発① 日本国特許第 6319233 号も導入した（図９）。また海外工場や弊社だけでなくトヨタグループ会社の塗装工程にも導入を推進し

名称：静電微粒化式塗装装置及び塗装方法ており、さらに現在は樹脂（バンパー、樹脂バックド

概要：シェーピングエアを用いずに塗料を微ア）塗装への適用拡大、ライン導入を進めている。

粒化して塗装対象物に効率よく塗着さ

なお 2019 年 10 月には堤工場第 1 塗装ラインのせることが可能な静電微粒化式塗装装

水性中塗り工程にも導入が完了し、溶剤・水性塗料

置及びその塗装方法を提供すること
この他、公開特許公報 3 件。

問わず全材料系への適用拡大中である。

むすび
この技術は塗着効率の大幅な向上が期待でき、塗料はほぼ被塗物に塗着するため、塗装設備へ塗着してしまう塗料を大幅に削減でき、設備の汚れを大幅に低減できる。また未塗着の塗料の回収装置も大幅に簡素化が可能となる。
具体的には従来は汚れ回避のために塗装用ロ
図８ 塗着効率

ボットをある一定間隔で配置させるなどの必要性があったが、その様な配置も必要でなくなるため塗装設備自体を小型化、密集させて配置させることができ、ブ ース自体の超小型化が可能となる。こ れは
ブース空調用のエネルギー使用量および CO2 排出量を大幅に低減できることを意味する。またブース下への落下する塗料ダストも大幅に低減されるため、それを水で回収して処理する従来の装置自体が不要になる。これらにより塗装設備全体がさらに簡素化され、これまでの大掛かりで汚く、環境に悪いというイメージの塗装工程全体の景色を大きく変えることができると考えている。この最新の超小型ブースは現在試作ラインでの評価を進めており、本年度中に実ライン導入・実証を目指し、開発完成を急いでいる（図１０）。

図９ 量産ラインでの実車塗装（弊社堤工場）（上：従来塗装、下：超高塗着エアレス塗装）

知的財産権の状況
本開発品の装置に関する特許登録は下記の通りである。

図１０ 超高塗着エアレス塗装による超小型ブースと排出CO2量－4－